機(jī)載LiDAR技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比,機(jī)載LiDAR技術(shù)不受日照、天氣影響,可全天候主動快速獲取精確的高分辨率數(shù)字地面模型及地物的三維坐標(biāo),具備采集速度快、高程精度高、成圖周期短等特點(diǎn)。
該技術(shù)通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面的三維點(diǎn)云信息,具有數(shù)據(jù)獲取速度快、空間與時間分辨率高、動態(tài)探測范圍大、主動性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于城市大比例尺測圖、林業(yè)調(diào)查、電力巡線等各個領(lǐng)域。因此,利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)快速完成數(shù)字高程模型(DEM)的大規(guī)模生產(chǎn),已成為最近幾年測繪生產(chǎn)及其他領(lǐng)域的一個研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。
本文結(jié)合機(jī)載LiDAR技術(shù)的工作原理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn),著重分析利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù),即激光點(diǎn)云濾波與分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插、DEM構(gòu)建與評價,建立基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的DEM生產(chǎn)技術(shù)流程,并將其應(yīng)用于高精度地表模型制作項(xiàng)目中,構(gòu)建成規(guī)則格網(wǎng)1:2000比例尺的高精度DEM模型。
一、機(jī)載LiDAR技術(shù)工作原理
機(jī)載LiDAR技術(shù)是全三維測量模式,它以飛機(jī)為載體,集成激光掃描系統(tǒng)、GPS和慣性測量單元(inertialmeasurementunit,IMU) 3個基本的數(shù)據(jù)采集工具及控制單元系統(tǒng)等其他設(shè)備于一體,從而獲取地面的三維空間信息。其中,激光掃描系統(tǒng)以脈沖激光測距作為主要技術(shù)手段,以激光束掃描的工作方式測量從傳感器到地物對象的激光照射點(diǎn)間的距離,即通過測量地面采樣點(diǎn)激光回波脈沖相對于發(fā)射激光主波之間的時間延遲得到傳感器到地面采樣點(diǎn)之間的距離,同時還可以獲得反射率、激光脈沖回波次數(shù)等信息;GPS接收機(jī)用于確定激光發(fā)射點(diǎn)的空間位置;IMU測量激光發(fā)射瞬間激光的空間姿態(tài)參數(shù)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通過激光掃描系統(tǒng)獲得激光點(diǎn)的距離信息,結(jié)合由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的激光發(fā)射點(diǎn)空間位置和姿態(tài)信息,可以解算出激光腳點(diǎn)在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下的三維坐標(biāo),即一系列離散的、空間分布不規(guī)則的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),具體流程如圖所示。
機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程圖
二、機(jī)載LiDAR關(guān)鍵技術(shù)研究
1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理
機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將航飛過程中獲得的差分GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算獲得定位定姿數(shù)據(jù),然后利用聯(lián)合定位定向數(shù)據(jù)、原始點(diǎn)云信息及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)進(jìn)行解算,獲得每一個激光點(diǎn)的在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目成果需要,將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系或CGCS2000坐標(biāo)系,所得結(jié)果為隨機(jī)分布的帶有高程、位置和強(qiáng)度信息的激光點(diǎn)云。此外,由于機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲得的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了大量的粗差和系統(tǒng)誤差,數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)進(jìn)行粗差檢測和剔除處理,即剔除極高點(diǎn)和極低點(diǎn)。
2. 激光點(diǎn)云濾波與分類
機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的孤立點(diǎn),其主要的數(shù)據(jù)值為回波信號點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)及一些附帶的屬性信息(如強(qiáng)度、反射波次數(shù)等),點(diǎn)與點(diǎn)之間不存在任何拓?fù)潢P(guān)系。機(jī)載激光點(diǎn)云濾波技術(shù)是指從離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中區(qū)分出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的過程,其基本原理是基于鄰近激光腳點(diǎn)間的高程突變(一般不是由地形的突然起伏變化所造成的),進(jìn)行濾波計(jì)算時需要設(shè)置一定的閾值,判斷激光腳點(diǎn)是否位于地形表面。利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作DEM時濾波與分類具體流程可概況為按照回波次數(shù)分類—地面點(diǎn)分類—水系分類。
機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖
(1) 按照激光回波次數(shù)分類。由于機(jī)載激光具有穿透性,導(dǎo)致在掃描過程中不同的地物有著不同的回波次數(shù)和強(qiáng)度信息,當(dāng)激光脈沖照射到建筑物頂部或裸露的地表時只產(chǎn)生一次回波,而激光脈沖照射到植被時,由于激光信號可以穿透植被從而形成多次回波。因此,可對多次回波中的最后一次回波數(shù)據(jù)和僅一次回波的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,從而濾除大量非地面點(diǎn)。
(2) 地面點(diǎn)自動分類。通過反復(fù)建立地表三角網(wǎng)模型的方式分離出地表點(diǎn),并反復(fù)加入新的激光點(diǎn)擴(kuò)展模型,確保每個加入的激光點(diǎn)使得模型更加貼近地表,從而最終得到一個近似的地表面。具體分類方法為:首先設(shè)定測區(qū)內(nèi)的最大房屋尺寸,選擇少許局部激光低點(diǎn),確保該局部激光低點(diǎn)間的距離不小于最大房屋尺寸;其次基于上述低點(diǎn)構(gòu)建初始三角網(wǎng),假定該三角網(wǎng)的最高頂點(diǎn)貼合地面,并通過不斷迭代將該初始三角網(wǎng)上方的點(diǎn)加入以構(gòu)建新模型,從而得到一個近似的地表面。
(3) 人機(jī)交互分類。自動分類后的數(shù)據(jù)可以獲得概略地形地貌,但存在一些錯分或誤分激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),同時一些小的地形不連續(xù)部分也會被平滑或去掉,因此需要通過人機(jī)交互方式分類。人機(jī)交互分類方法是指參照高分辨率影像,通過人工判斷的方式對自動分類的結(jié)果進(jìn)行修正或?qū)μ囟ǖ匚镱悇e進(jìn)行分類??赏ㄟ^建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN格網(wǎng)),對區(qū)域內(nèi)的整體點(diǎn)云進(jìn)行分類,剔除坑點(diǎn)或突出點(diǎn),細(xì)部可再根據(jù)橫截面修正。由于建筑物規(guī)模和形態(tài)變化較為復(fù)雜,需以人機(jī)交互分類為主。水系一般無激光回波,但也存在渾濁水體稀疏回波現(xiàn)象,需要結(jié)合影像和周圍地形進(jìn)行判斷。
3. DEM構(gòu)建與評價
DEM主要基于TIN格網(wǎng)構(gòu)建,即對于濾波分類的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用ArcGIS軟件創(chuàng)建TIN,構(gòu)建約束三角網(wǎng)模型,并進(jìn)一步生成規(guī)則格網(wǎng)Grid格式的DEM數(shù)據(jù)。利用 TerraSolid 軟件對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、濾波與分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插,最后得到DEM。
綜上所述,主要介紹了利用LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的技術(shù)流程和方法。
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